一種冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中可變糙率冰蓋模擬方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中可變糙率冰蓋模擬方法和裝置，是一種水工實(shí) 驗(yàn)方法和裝置，是一種冰水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 入冬以后，氣溫降低，水體失熱，水溫降至0°C以下時(shí)，河道中便會(huì)產(chǎn)生冰花，隨著 水體不斷地失熱，水流表面進(jìn)一步出現(xiàn)流冰。受水流條件、地形條件和風(fēng)向等影響，水體表 面的流冰會(huì)相互堆積形成冰，冰蓋的存在會(huì)極大地增加了濕周和阻力，即使過水?dāng)嗝婷娣e 不變也會(huì)引起河道過水能力的顯著降低。由于冰情的野外原型觀測(cè)具有一定的危險(xiǎn)性，因 此通過實(shí)驗(yàn)室開展模擬研究成為冰水動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要手段。實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究自然涉及 到冰蓋和冰蓋糙率的模擬問題。糙率是衡量邊壁形狀的不規(guī)則、邊界的粗糙度及整齊程度 等因素的綜合性系數(shù)，是冰水力學(xué)研究中的重要參數(shù)。目前實(shí)驗(yàn)室常用的冰蓋模擬技術(shù)主 要是在泡沫板上人工插竹簽，人工增加泡沫板的粗糙程度，因?yàn)槿斯げ逯窈灥纳疃群兔芏?很難控制，因此該方法在冰蓋糙率的控制上隨意性較大，給規(guī)律性系列試驗(yàn)帶來困難。且如 果竹簽的密度分布不均，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)斷面的流速分布不均勻，影響實(shí)驗(yàn)精度，甚至準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種用于冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的可變糙率 冰蓋模擬方法和裝置。所述的方法提供了一種冰蓋及其糙率模擬方法，可根據(jù)不同的需要 調(diào)整糙率程度，且可重復(fù)使用。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中可變糙率冰蓋模擬方法，所 述方法使用聚乙烯板材作為模擬冰蓋的材料，在所述的聚乙烯板材的一面設(shè)置多條長(zhǎng)軸方 向與板平面垂直的長(zhǎng)條形的粗糙塊，利用長(zhǎng)度長(zhǎng)短不同的粗糙塊，及粗糙塊疏密不同的排 列方式模擬冰蓋底部各種不同的糙率。
[0005] -種根據(jù)所述方法設(shè)計(jì)的可變糙率冰蓋模擬裝置，包括與模擬河道寬度相適應(yīng)的 模擬冰蓋板，所述的模擬冰蓋板的材質(zhì)為聚乙烯板材，所述的模擬冰蓋板上均勻的分布多 個(gè)固定孔，所述的固定孔中根據(jù)試驗(yàn)需要固定模擬糙率的粗糙塊，所述的粗糙塊的材質(zhì)為 聚乙烯棒材。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的模擬冰蓋板上的固定孔為交錯(cuò)排列。
[0007] 進(jìn)一步的，所述模擬冰蓋板上的固定孔是圓形通孔，所述是的粗糙塊為直徑與固 定孔相適應(yīng)的圓形棒材，所述圓形棒材的一端固定有一直徑大于棒料直徑的圓片，所述的 圓片通過固定設(shè)施與模擬冰蓋板可拆卸連接。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的固定設(shè)施是與模擬冰蓋板螺紋連接的壓板，所述的圓片夾在模 擬冰蓋板和壓板之間。
[0009] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明通過理論計(jì)算采用聚乙烯這種十分普遍的材料 作為模擬冰蓋的材料，并使用板材模擬冰蓋平面，并使用長(zhǎng)條形的聚乙烯材料立在板材上， 模擬冰蓋的粗糙表面，形成不同糙率模擬冰蓋。由于使用可以使用各種簡(jiǎn)單的方式更換長(zhǎng) 短不同，疏密不同的長(zhǎng)條形材料，以此可以模擬各種不同糙率的冰蓋，使實(shí)驗(yàn)的成本大大降 低，同時(shí)使用簡(jiǎn)單的更換方式，還可以明顯的減少實(shí)驗(yàn)的輔助時(shí)間，即滿足了實(shí)驗(yàn)的各種要 求也保證了實(shí)驗(yàn)的精度，加快試驗(yàn)速度，并使成本則明顯下降。
【附圖說明】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0011]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例三所述交錯(cuò)排列的固定孔示意圖；
[0013] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例四所述粗糙塊的形狀示意圖；
[0014] 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例五所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 實(shí)施例一：
[0016] 本實(shí)施例是一種冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中可變糙率冰蓋模擬方法，所述方法使用聚乙烯 板材作為模擬冰蓋的材料，在所述的聚乙烯板材的一面設(shè)置多條長(zhǎng)軸方向與板平面垂直的 長(zhǎng)條形的粗糙塊，利用長(zhǎng)度長(zhǎng)短不同的粗糙塊，及粗糙塊疏密不同的排列方式模擬冰蓋底 部各種不同的糙率。
[0017] 本實(shí)施例所述方法的依據(jù)為：
[0018] 1、冰蓋模擬材料的選擇依據(jù)：
[0019] 實(shí)驗(yàn)室的冰水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要滿足原型和模型的浮冰運(yùn)動(dòng)特性相似，BP:
[0024] (Pi)p=(p上
[0025] 式中：下標(biāo)p表示原型，下標(biāo)m表示模型，下標(biāo)r表示比尺；V為流速；g為重力加 速度；Pw為水的密度；Pi為冰的密度；t為冰塊厚度。
[0026] 上式表明浮冰運(yùn)動(dòng)特性相似要求原型和模型中冰的密度相等。由于冰的密度約為 917kg/m3,因此本實(shí)施例采用密度為920kg/m3的聚乙烯作為冰蓋模擬的材料，在密度上滿 足冰水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的相似性要求。
[0027] 2、冰蓋糙率n的模擬：
[0028] 河流中的水流流動(dòng)都滿足能量方程
[0029]
[0030] 式中Z#Z2分別為上下游斷面的高程，P郴P2分別為上下游斷面的壓力，V^V2 分別為上下游斷面的平均流速，hw為水頭損失。
[0031] 由上式可見，河流中的水位、流量等參數(shù)的計(jì)算都需要先確定水頭損失匕這一參 數(shù)，而水頭損失1\通過糙率n來表達(dá)。
[0032] 在水力粗糙區(qū)，謝才系數(shù)C僅與反映相對(duì)粗糙度的R/A相關(guān)。且在粗糙區(qū)，
則糙率系數(shù)n可表達(dá)為
[0033]
[0034] 式中R為水力半徑，A為絕對(duì)粗糙高度。
[0035] 由上式可見，當(dāng)河道斷面的水力半徑不變時(shí)，冰蓋的糙率和絕對(duì)粗糙高度A有直 接關(guān)系，因此在冰水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，提供不同粗糙高度的冰蓋成為冰蓋糙率模擬的主要途 徑。
[0036] 基于上述的理論分析，本實(shí)施例使用聚乙烯板材作為模擬冰蓋的材料，在板材的 一面設(shè)置多條長(zhǎng)條形的粗糙塊，粗糙塊的材質(zhì)同為聚乙烯。粗糙塊的長(zhǎng)方向軸線與模擬冰 壓板材平面垂直，以此模擬冰蓋底部的糙率。這些粗糙塊最好可以十分方便的拆卸或安裝 在模擬冰蓋板上。通過不同長(zhǎng)度的粗糙塊和不同的排列，以及排列的疏密，形成模擬各種不 同糙率的模擬裝置。
[0037] 實(shí)施例二：
[0038] 本實(shí)施例是一種根據(jù)實(shí)施例一所述方法設(shè)計(jì)的可變糙率冰蓋模擬裝置，如圖1所 示。本實(shí)施例包括與模擬河道1寬度相適應(yīng)的模擬冰蓋板2,所述的模擬冰蓋板的材質(zhì)為聚 乙烯板材，所述的模擬冰蓋板上均勻的分布多個(gè)固定孔201，所述的固定孔中根據(jù)試驗(yàn)需要 固定模擬糙率的粗糙塊3,所述的粗糙塊的材質(zhì)為聚乙稀棒材。
[0039] 本實(shí)施例以聚乙烯板材作為模擬冰塊的材料，模擬板塊狀的冰塊漂浮或覆蓋在水 面上。根據(jù)實(shí)施例一的計(jì)算，聚乙烯材料的密度與冰相接近，因此，聚乙烯板材完全可以模 擬板塊狀的冰塊在水上的漂浮狀態(tài)，包括隨水流漂浮游動(dòng)的速度和隨波浪上下運(yùn)動(dòng)的幅度 等。
[0040] 本實(shí)施例所述的裝置主要是應(yīng)用于在模擬河道的水槽中進(jìn)行冰蓋實(shí)驗(yàn)。模擬冰蓋 板的大小根據(jù)需要確定，其寬度可以與模擬河流的水槽的寬度大小一致，或者說是相適應(yīng)， 其長(zhǎng)度則根據(jù)時(shí)間需要確定，如：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要在10米長(zhǎng)1. 2米寬的水槽中截取5米長(zhǎng) 1.2米寬的模擬冰蓋板，作為作用試驗(yàn)板材的長(zhǎng)度和寬度。所述的相適應(yīng)是指模擬冰蓋板與 水槽的寬度尺寸大小一致，但模擬冰蓋板的寬度比水槽的寬度略小一些，以便模擬冰蓋板 放入水槽中，并與水槽兩側(cè)幫板保持一定間隙，使模擬冰蓋板可以漂浮在水面上，并可以隨 水面的起伏而起伏，不會(huì)用因?yàn)槌叽邕^于接近水槽而被卡住。在這種情況下，模擬冰蓋板， 在水流方向上應(yīng)該有約束，較為方便的方法是在模擬冰蓋板的下游設(shè)置一個(gè)阻擋冰蓋板向 下游流動(dòng)的固定點(diǎn)，即可以達(dá)到目的。而一些實(shí)驗(yàn)中需要模擬凍結(jié)在河道上的冰蓋，則需要 將模擬冰蓋板固定在模擬河道上，其高度與水位相同。固定的方式可以靈活應(yīng)用各種固定 方法。
[0041] 根據(jù)實(shí)施例一的出計(jì)算，為模擬冰底部的糙率，本實(shí)施例采取了長(zhǎng)條形的粗糙塊， 粗糙塊的材質(zhì)也應(yīng)當(dāng)是聚乙烯。粗糙塊可以是截面形狀為圓形的棒材，也可以是截面形狀 為四方形或其他正多邊形的其他形狀棒材。